段俊宇 胡亞輝 楊小洋 劉 卓 付蔚華 鄭清春

(1.天津市先進機電系統(tǒng)設(shè)計與智能控制重點實驗室 天津 300384；2.機電工程國家級實驗教學示范中心(天津理工大學) 天津 300384；3.天津醫(yī)科大學總醫(yī)院胃腸肛腸外科 天津 300052)

吻合器在外科手術(shù)中利用吻合釘代替手工縫線進行縫合，由于其操作的便利性已經(jīng)得到廣泛運用。在胃腸外科手術(shù)中，由于胃腸道中存在多種細菌，再加上術(shù)后患者免疫力下降，外來細菌侵入以及抗生素帶來的二重感染，都致使吻合口感染的風險增加[1]。作為吻合釘材料的鈦本身沒有抗菌性，植入體內(nèi)很容易導致細菌的黏附、生長并最終形成一層有害的生物膜，因此吻合釘表面的抗菌性研究具有重要意義。

研究表明，適當?shù)谋砻婵棙?gòu)可以提高材料表面的疏水性能[2-4]，隨著材料表面疏水性能的增強，其抗菌性能得到明顯提升[5-6]。李晶等人[7]利用激光加工技術(shù)在鋁基底表面加工微織構(gòu)，成功制造了低黏附疏水結(jié)構(gòu)，在抗結(jié)冰和自清潔方面表現(xiàn)優(yōu)異。趙美云等[8]利用激光雕刻技術(shù)在復合絕緣子硅橡膠表面加工各種類型的織構(gòu)，通過實驗獲得了織構(gòu)的形狀、間距和深度對疏水性的影響。HIZAL等[9]通過陽極氧化和后處理工藝在鋁表面制備出納米孔和納米柱結(jié)構(gòu)，并借助填充氟隆涂層調(diào)節(jié)表面疏水性，發(fā)現(xiàn)高的疏水表面可以降低鋁基板的細菌黏附能力。TANG等[10]以鈦板為原料，利用電化學氧化、自組裝技術(shù)和低表面能處理得到了超疏水TiO2納米管表面，發(fā)現(xiàn)超疏水表面上細菌黏附量遠低于普通疏水表面和親水表面且細菌分布較為分散。

迄今為止，有關(guān)構(gòu)筑疏水表面提高抗菌能力的研究報道還比較少，且多聚焦在疏水表面的制備方法與抗菌性能等方面。目前疏水表面主要是基于材料表面的低表面能物質(zhì)和表面織構(gòu)2個方面共同設(shè)計的，其抗菌效果已得到證實，但鈦表面織構(gòu)參數(shù)對疏水性能的影響尚未進行系統(tǒng)深入的研究，其影響規(guī)律還有待進一步揭示。

為了在鈦釘上構(gòu)筑疏水表面從而提高其抗菌能力，本文作者提出了一種通過在鈦釘表面加工方柱形織構(gòu)來提高其表面疏水性能的方法，并利用CFD數(shù)值仿真方法研究織構(gòu)參數(shù)對吻合器鈦釘表面疏水性能的影響。研究成果對吻合器鈦釘表面微織構(gòu)的設(shè)計提供了理論依據(jù)。

1 潤濕性理論模型

接觸角θ的大小表征了材料的親疏水性，也是固體表面潤濕性重要的衡量指標。當θ<90°，固體表面表現(xiàn)為親液表面；當θ>90°，表現(xiàn)為疏液表面。其中，若測量液滴為水，且θ≤5°，稱之為超親水性表面；反之，若θ≥150°，則稱為超疏水表面。

當液滴落在光滑且均勻的理想固體表面上時，液滴達到穩(wěn)定狀態(tài)后的截面輪廓為光滑曲線，此時本征接觸角的數(shù)值大小可通過Young氏方程[11]給出：

(1)

式中：γsg、γsl、γlg分別為固-氣界面、固-液界面、液-氣界面上的表面張力；θY是固體材料的本征接觸角。

如圖1所示為液滴靜止時物理模型。

圖1 液滴靜止于理想固體表面模型示意

Young氏方程僅適用于理想狀態(tài)下的表面，而實際應(yīng)用中并不存在絕對光滑的表面。Wenzel 模型和Cassie模型常用于描述固體表面潤濕性，對于不同的表面粗糙結(jié)構(gòu)，這2種模型可分別闡述不同的機制。如圖2(a)所示，表面粗糙結(jié)構(gòu)內(nèi)的空氣不足以支撐液滴，液滴始終能填滿粗糙結(jié)構(gòu)時，Wenzel理論認為由于粗糙結(jié)構(gòu)的存在增加了固液實際接觸面積，對表面本征特性具有增強效應(yīng)，即表面粗糙結(jié)構(gòu)可以使疏水表面變得更疏水，親水表面變得更親水。如圖2(b)所示，由于表面粗糙結(jié)構(gòu)中空氣的存在液滴未能進入粗糙結(jié)構(gòu)，形成固-液和氣-液接觸共同組成的復合接觸時，Cassie 理論認為可以依靠減小固液接觸面積來提高表面接觸角。如圖2(c)所示，在一些粗糙度較高的表面，液滴部分進入粗糙結(jié)構(gòu)與空氣共存時，形成一種暫時穩(wěn)定的過渡態(tài)。LI和AMIRFAZLI[12]從熱力學角度出發(fā)，理論上證明了過渡態(tài)的不穩(wěn)定性，最終將轉(zhuǎn)變?yōu)榉菑秃匣驈秃蠎B(tài)。

圖2 潤濕性理論模型

由于鈦表面為親水性，潤濕狀態(tài)符合Wenzel模型時粗糙結(jié)構(gòu)會使得鈦表面更親水。為達到疏水效果，文中采取減小固液接觸面積的方法，所設(shè)計織構(gòu)得到的潤濕狀態(tài)應(yīng)與Cassie模型一致。

2 吻合器鈦釘表面織構(gòu)設(shè)計

2.1 鈦釘表面織構(gòu)模型

吻合器主要工作原理是利用鈦釘對傷口組織進行吻合，類似于訂書機。鈦釘?shù)目p釘直徑大都在0.2～0.3 mm之間，縫合釘腳高度在4～5.5 mm之間，組織縫合厚度在0.2～0.3 mm[13]。

觀察具有超疏水性的蟬翼表面結(jié)構(gòu)，如圖3所示[14]?；诜律鷮W設(shè)計原理，文中的織構(gòu)設(shè)計為微方柱形，織構(gòu)模型單元形狀及尺寸如圖4所示。

圖3 蟬翼表面結(jié)構(gòu)

圖4 吻合器鈦釘表面織構(gòu)模型

2.2 液滴鋪展物理模型建立

液滴撞擊織構(gòu)表面的物理模型如圖5所示，其為1.5 mm×1 mm的二維區(qū)域，液滴直徑d=0.25 mm。液滴以v=0.2 m/s的初速度垂直撞擊到織構(gòu)表面上，運動過程中受到重力加速度g=9.81 m/s2的作用，方向豎直向下;通過調(diào)節(jié)微方柱寬度a、間距b及高度h等參數(shù)來研究接觸角的變化規(guī)律。由于各參數(shù)之間無相互影響，以表面接觸角為因變量，將微方柱寬度a、間距b及高度h作為自變量分別進行單因素分析。參照大多數(shù)自然和人造超疏水表面掃描電鏡的微結(jié)構(gòu)尺度，得到微方柱平均寬度a=10 μm，平均間距b=12 μm,平均高度h=15 μm[15]。在設(shè)計單因素試驗時選取微方柱的平均參數(shù)值作為自變量的中間值，考察各因素對表面疏水性能的影響。為保證試驗得到規(guī)律的準確性，每次單因素試驗均在平均參數(shù)值附近進行3組試驗?？棙?gòu)參數(shù)設(shè)計如表1—3所示。

圖5 物理模型

表1 織構(gòu)高度對疏水性能影響參數(shù)設(shè)計

2.3 物理條件設(shè)定

采用前處理軟件Workbench建立二維模型，模擬區(qū)域為240 μm×100 μm的二維區(qū)域。模擬過程中，氣-液自由界面形狀發(fā)生明顯的變化，因此采用四邊形均勻網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺寸設(shè)置為1 μm，約劃分35 000個網(wǎng)格。利用 Ansys Fluent 進行數(shù)值計算和后處理，采用壓力基隱式算法對液滴的撞擊過程進行瞬間求解。對于瞬態(tài)求解來說，時間步長t必須設(shè)置合理，從而能夠解析與時間相關(guān)的特征，大致可以通過以下公式進行預估：

(2)

式中:x為局部網(wǎng)格尺寸，mm；v為特征流動速度，m/s。

由于文中設(shè)置最小網(wǎng)格尺寸為1 μm，特征速度v=0.2 m/s。根據(jù)預估公式可得時間步長為t=5×10-6s，此時完全能夠保證所有的網(wǎng)格單元均能被迭代計算。

多相流模型選擇 VOF 模型來跟蹤液相和氣相(空氣)兩相的界面位置，其中空氣設(shè)為主項，液相設(shè)為次相。物性參數(shù)如表4所示。模擬區(qū)域下邊界 Wall 設(shè)置為具有潤濕性的壁面，由于一般金屬表面為親水性，壁面接觸角設(shè)為 70°，其余邊界均設(shè)置為壓力入口邊界，壓力為 0。壁面邊界采用無滑移邊界條件，即速度分量都為0。壓力速度耦合采用適合非定常流動問題的PISO算法，梯度格式為Least Squares Cell Based，壓力差值格式為PRESTO格式，體積分數(shù)的求解采用Geo-Reconstruct格式。初始化后，通過Adapt和patch功能在計算域內(nèi)定義一個初速度v=0.2 m/s向下運動的水滴。

表4 空氣和液滴的物性參數(shù)

2.4 基于CFD的液滴鋪展仿真過程

液滴在疏水表面的鋪展變形與回彈過程，取決于慣性力、黏性力和表面張力的相互作用，液滴初始速度和固體表面性質(zhì)都是關(guān)鍵的影響因素。

圖6示出了直徑d=0.25 mm，初速度v=0.2 m/s的水滴撞擊疏水表面的仿真結(jié)果與文獻[16]中實驗結(jié)果的比較。液滴在初始形態(tài)為球形，在接觸壁面后，液滴的一部分動能轉(zhuǎn)化為氣液界面的表面能，3.7 ms后液滴達到最大鋪展；隨后氣液界面的表面能又轉(zhuǎn)化為動能，液滴發(fā)生回彈，在t=16 ms，液滴回彈至最高點，下半部與疏水表面的接觸面積明顯變小。此后液滴經(jīng)過多次鋪展與回彈的振蕩過程，由于固體與液體之間黏附力作用，有一部分動能轉(zhuǎn)化為熱能消耗，動能逐漸降低，直到停止運動達到平衡狀態(tài)。由圖6可知，仿真得到的各階段的液滴形態(tài)與實驗結(jié)果基本相同。

圖6 液滴撞擊疏水表面模擬結(jié)果(右圖)與實驗結(jié)果(左圖)對比

2.5 CFD仿真實驗驗證

為驗證仿真模擬結(jié)果的可靠性，選取a=10 μm、b=12 μm、h=15 μm，a=10 μm、b=10 μm、h=15 μm，a=12 μm、b=12 μm、h=15 μm 3組織構(gòu)參數(shù)記為10、11、12組，分別進行激光加工并測量接觸角，與模擬值進行比較。

將工業(yè)純鈦(TA2)切割為規(guī)格為φ14 mm×3 mm的鈦片，對鈦片表面用砂紙打磨使其表面粗糙度Ra<0.5 μm，依次在丙酮、無水乙醇和去離子水中超聲清洗，烘干后進行試驗。用激光在鈦片上加工選定參數(shù)的織構(gòu)，如圖7(a)所示為加工后的第10組鈦片表面。

圖7 鈦片表面加工結(jié)果與接觸角測量結(jié)果

使用型號為JC2000DM接觸角測量儀測量有、無織構(gòu)鈦片的表面接觸角，結(jié)果如圖7(b)、(c)所示。所用去離子水量為2 μL，每個樣品表面均取5個不同測量區(qū)域，測量結(jié)果為5次測量接觸角的算術(shù)平均值。所有測量均在(24±1)℃的室溫和(50±5)%的相對濕度下進行。

由于實驗中各鈦片的初始接觸角與仿真設(shè)置中采用的平均值存在差異，且實驗時受到測量儀器、人為觀察、實驗環(huán)境等因素的影響，所得到的實驗值與模擬值存在一定誤差。由表5可知，三組接觸角模擬值與理論值相對誤差均小于10%。這表明得到的模擬結(jié)果是可靠的，利用CFD數(shù)值仿真方法研究織構(gòu)參數(shù)對吻合器鈦釘表面疏水性能影響的方法是可行的。

表5 實驗接觸角與模擬接觸角及誤差對比

3 結(jié)果與討論

3.1 織構(gòu)高度h對接觸角θ的影響

圖8所示為表1中3組方案得到的表面接觸角θ隨織構(gòu)高度h的變化曲線?？芍?，在所設(shè)計的參數(shù)范圍內(nèi)，總體上呈現(xiàn)出隨著高度的增加接觸角緩慢增加的趨勢。微結(jié)構(gòu)高度h對接觸角θ的影響較小，取接觸角最大值處觀察仿真結(jié)果，液滴基本未進入微結(jié)構(gòu)內(nèi)部，這與Cassie模型相吻合，即由于空氣存在于粗糙表面的凹坑內(nèi)，抑制液滴進入微結(jié)構(gòu)內(nèi)部，使得這種復合接觸與微結(jié)構(gòu)高度基本無關(guān)。但織構(gòu)高度過低時，織構(gòu)間隙中存儲的空氣不足以支撐起液滴，當液滴在織構(gòu)表面鋪展時少量液滴浸入織構(gòu)間隙，使得接觸角較小?？棙?gòu)高度越高，液滴更不易滲透到織構(gòu)間隙中，越易形成復合潤濕狀態(tài)且這種狀態(tài)更穩(wěn)定。

圖8 表面接觸角θ隨織構(gòu)高度h的變化

3.2 織構(gòu)寬度a對接觸角θ的影響

圖9所示為表2中3組方案得到的表面接觸角θ隨織構(gòu)寬度a的變化曲線?？芍?，間距一定時，當寬度遠小于間距，仿真得到的接觸角的值較?。划攲挾戎饾u增加但仍小于間距時，接觸角隨著寬度的增大而增大，在寬度略小于間距時達到接觸角最大值；此后，接觸角隨著寬度的增大而減小。

表2 織構(gòu)寬度對疏水性能影響參數(shù)設(shè)計

圖9 表面接觸角θ隨織構(gòu)寬度a的變化

圖10所示為以b=12 μm，h=15 μm為例定性分析織構(gòu)寬度對表面接觸角的影響。寬度遠小于間距時，液滴部分進入到織構(gòu)間隙內(nèi)部，使得形成介于復合潤濕狀態(tài)和非復合潤濕狀態(tài)的過渡態(tài)，織構(gòu)間隙內(nèi)液滴越多，固液接觸面積越大，使得接觸角就越小。隨著寬度逐漸接近間距，此時液滴幾乎未浸入織構(gòu)間隙，形成穩(wěn)定的復合潤濕狀態(tài)，使得接觸角達到最大?？棙?gòu)寬度大于織構(gòu)間距后，與間隙中空氣接觸的液體變少，大部分液滴直接作用在織構(gòu)凸起上并在其上鋪展，所以接觸角變小。

圖10 織構(gòu)寬度對接觸角影響

3.3 織構(gòu)間距b對接觸角θ的影響

圖11所示為表3中3組方案得到的表面接觸角θ隨織構(gòu)間距b的變化曲線?？芍斘⒔Y(jié)構(gòu)的寬度和高度一定，3種情況下接觸角都隨著間距的增大先增大后減小，與寬度影響接觸角的規(guī)律一致。

表3 織構(gòu)間距對疏水性能影響參數(shù)設(shè)計

圖11 表面接觸角θ隨織構(gòu)間距b的變化

間距較小時，由于凹坑內(nèi)空氣的存在液滴在織構(gòu)表面形成復合潤濕狀態(tài)，但由于固液接觸面積較大，所得到的接觸角較小，這與寬度較大時得到的結(jié)論一致。隨著間距增大，液滴仍保持復合潤濕狀態(tài)，但固液接觸面積變小，接觸角變大，這與Cassie模型吻合，當間距略大于寬度時接觸角達到最大值。之后間距繼續(xù)增大時織構(gòu)間隙的毛細管作用小于重力作用，處于復合潤濕狀態(tài)的液滴會塌陷在微結(jié)構(gòu)柱中，從而無法維持復合潤濕狀態(tài)，而向非復合潤濕狀態(tài)轉(zhuǎn)化，最終形成一個暫時穩(wěn)定的過渡態(tài)，固液接觸面積變大使得接觸角變小。

4 結(jié)論

(1)在鈦釘表面設(shè)置合理的方柱形織構(gòu)可以使鈦釘表面疏水性能提升，從而使鈦釘具有一定的抗菌效果。

(2)織構(gòu)高度對于鈦釘表面疏水性能影響較小，隨著高度增大疏水性略微增大。

(3)織構(gòu)寬度和間距對于鈦釘表面疏水性能都有明顯的影響，在所設(shè)計的參數(shù)范圍內(nèi)，接觸角隨著寬度與間距的增大先增大后減小，根據(jù)其變化規(guī)律可得到最佳疏水結(jié)構(gòu)為寬度略小于間距。

(4)利用CFD數(shù)值仿真方法研究織構(gòu)參數(shù)對吻合器鈦釘表面疏水性能影響是可行的，為今后進一步開展相關(guān)研究奠定了一定基礎(chǔ)。